引汉济渭工程三河口水利枢纽BIM设计应用实践

引汉济渭工程三河口水利枢纽BIM设计应用


摘要

三河口水利枢纽作为引汉济渭工程的核心，集大坝、溢流急流消能、坝后供应系统、连接洞于一体，是国内排名第二的高碾压混凝土拱坝。大坝的建设计划与枢纽的复杂地质地形条件构成了巨大的挑战。电气设备数量众多，专业之间的协同配合频繁，工程计算工作量巨大。本文详述了在三河口水利枢纽上应用建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）进行在线协同设计的过程。通过集成地质模型、水工模型、水机模型、电气设备模型、建筑结构模型与金属结构模型，实现了多专业在同一平台上的协同设计。BIM技术的应用使得与业主的高效沟通成为可能，优化了设计方案，解决了施工现场的难题，强化了工程量的统计和控制，将计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）与计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）集成应用，有效分离了设计建模与计算过程，显著提升了设计效率。

关键词: BIM技术、枢纽大坝、水利水电工程、协同平台


1 工程概述


1.1 项目简介

引汉济渭工程作为陕西省的跨流域调水项目，旨在均衡供水区域的水分配问题，属于国务院重点推进的172个重大水利工程中的一环。三河口水利枢纽作为调蓄中心，位于佛坪县境内大河坝乡三河口村下游两公里处，由大坝、溢流急流消能设施、坝后供应系统和连接洞等部分组成。大坝以其碾压混凝土双曲拱坝的结构，最高达141.5米，库容达7.1亿立方米，调节库容达6.6亿立方米，设计正常蓄水位643米，死水位为558米。项目配置水泵与水轮机装机容量各为2.4万千瓦和4.0万千瓦，另设置减压调流阀，设计流量分别可达18立方米/秒与31立方米/秒。总工期为54个月，总投资额为52亿元，展示了其工程的宏大规模和技术的复杂性（图1为工程布置效果图）。

1.2 工程特点与难点

三河口水利枢纽的大坝在国内拱坝中排名第二，采用抛物线型双曲拱坝结构设计，周边复杂地形地质条件之下，需要在有限空间内满足大规模建筑结构的设计需求。设计方案涉及电气设备众多，机电设备多样且布置密集，对设计流程提出了高要求，同时也是BIM技术应用的关键领域。引汉济渭工程自始便明确，利用BIM技术作为解决问题的工具（[1]），提高设计效率，这是BIM技术在该领域得到广泛应用的先兆。




2 BIM组织与应用环境


2.1 BIM应用目标

项目实施过程中，通过制定详细的BIM实施标准，优化项目过程中的工程计算量统计流程，为专业人员分配设计任务，确保各专业间建模参数的无缝交互，加速项目进度，有效处理项目发展过程中的问题。采用达索系统的ENOVIA协同设计平台，实现了线上交互与数据传递，便于管理周期控制与整体进度的实时观察。

2.2 实施方案

首先，对枢纽范围内进行详细的地形与地质处理，建立基础应用条件，明确土建布局和关键设计点，提交给下游专业。通过CATIA等设计软件创建并导入自定义的参数化设备模型库，快速完成工程建筑的三维方案设计。土建与结构设计团队利用这些组件，在基于骨架信息的指导下，进行BIM设计，最终将模型整合到统一的三维环境中，实现了设计目标的无缝集成。

3 BIM应用


3.1 BIM模型构建

通过三维建模和协作平台化，构建了包括地质模型、水工建筑物模型、水机结构模型、新设备模型、厂房建筑结构模型与金属结构模型在内的综合模型。这一过程先制定全面的建模规则，使用云端平台ENOVIA实现实时协作，确保各项设计元素的一致性和准确性。设计团队根据地理信息和预设水文动态，精确创建各组成部分，完成了开挖、构筑及安装等若干关键任务（图4为关联设计实例）。

4 应用效果


4.1 提供直观展示效果

三河口水利枢纽应用了CATIADelmia软件制作了动态呈现模型，增进了项目与业主之间的沟通，通过实景路线规划视频展示了设计方案的细节（图10为相关视频截图）。

4.2 方案优化与现场问题解决

通过BIM模型对上蒲家沟堆渣方案进行空间优化分析，提供了多样化的决策依据。三河口大坝的开挖技术对其形状与尺寸进行了精确认证，以实现设计的准确应用（图12为现场问题解决实例）。

4.3 工程量统计

使用BIM技术作为核心工具，项目团队能快速准确地完成工程量的统计，提升项目管理的效率与精确度（图13为统计方法示例）。

4.4 CAD与CAE的集成利用

将CATIA建立的水工建模与有限元仿真软件ANSYS进行了结合，实现了模型设计与工程计算的分离，进而提升了设计的几何精确度和工程优化能力（图14为计算集成展示）。

5 总结与展望

近年的发展表明，BIM技术已经在电站设计与建设过程中发挥了重要作用。从模型设计到现场控制、从集成到优化，BIM技术为项目的整体规划提供了更高效的管理模式。展望未来，在技术不断完善的过程中，BIM系统将更深度地整合各相关领域，进一步提升工程协同设计的效率与准确性。此外，不同专业间软件的数据互操作能力将进一步增强，使协同设计更加流畅，各项设计本地传达更为快速，整体项目部署进程有望显著提高。